（应用化学专业论文）氨基酸卟啉和烷氧桥连卟啉五聚体的合成与性质研究.pdf

摘要 摘要 金属卟啉化合物的超分子自组装( s u p r a m o l e c u l a rs e l f a s s e m b l y ) 是当今生 物无机化学的前沿研究领域。生物系统中的金属卟啉通过自组装形成聚集体后才 具有相应的生物功能。此外，轴向配位作用对卟啉蛋白的生物功能也有很大影响。 因此，选择设计不同的金属卟啉并研究它们的自聚集和配位性质，有助于我们理 解生物体内金属卟啉蛋白的结构和功能关系。基于我们以前的研究工作，本文设 计和合成了四种新式氨基酸卟啉：m 一( l - p h e ) 0 一c ：一t p p 、m 一( l - p h e ) o - c 。- t p p z n 、 m c 。一( l - p h e ) 一c 。( t p p ) 。、m c 。一( l - p h e ) 一c 。( t p p ) ：z n ：以及新型烷氧桥连卟啉五 聚体： t p p o ( c h 。) 。0 。t p p 和其锌配合物 t p p o ( c h ：) ；0 。t p p z n 。通过元素分析、 质谱、红外光谱、1 h 核磁共振和紫外可见吸收光谱等手段，证实所合成的化合物 为目标产物，并分析了它们的结构特征。我们发现m 一( l - p h e ) o - c 。- t p p z n 可形成 分子内五配位结构，并通过量化计算验证了此结果。 本文还研究了四种金属卟啉在氯仿溶液中的自聚集性质，讨论了自聚集模式 和驱动力。这四种金属卟啉的自聚集能力的大小顺序为：m ，m - c 。一( l - p h e ) 一c 。一 ( t p p ) 。z n 。 t p p o ( c h 2 ) 。0 。t p p z n ； m 一( l p h e ) 0 一c 2 一t p p z n t p p z n 。此夕p ，我f 测定了以上四种金属卟啉和吡啶、咪唑、4 ，4 _ 联吡啶和乙二胺的配位常数和配 位数，结果表明，对于同一金属卟啉来说，不同配体的配位能力相差很大。同时 发现，自聚集能力越强，金属卟啉和配体形成配合物的能力越弱。其中，m - c 。一( l p h e ) 一c 。( t p p ) ：z n 。可以和4 ，4 i 联吡啶或乙二胺形成超分子。 关键词：氨基酸卟啉；卟啉五聚体；自聚集；轴向配位；量子化学 华南理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es t u d yo fs u p r a m o l e c u l a rs e l f a s s e m b l yo fm e t a l l o p o r p h y r i n si st h e c u r r e n tf r o n t i e rs t u d ya r e ao fb i o i n o r g a n i cc h e m i s t r y i nb i o l o g i c a l s y s t e m s ，m a n yk i n d so fm e t a l l o p o r p h y r i n sf o r mo l i g o m e r sb ys e i f a s s e m b l y ， w h i c hc o n t r i b u t e st ot h e i rs p e c i f i cb i o l o g i c a lf u n c t i o n s w h a ti sm o r e ， i ti sf o u n dt h a ta x i a lc o o r d i n a t i o nh a sag r e a te f f e c to nt h eb i o f u n c t i o n s o ft h e s em e t a l l o p o r p h y r i np r o t e i n s t h u s ，t h es y n t h e s i so fa r t i f i c i a l m e t a l l o p o r p h y r i n sa n dt h es t u d yo ft h e i rs e l f a g g r e g a t i o na n dc o o r d i n a t i o n p r o p e r t i e s ，a r ev e r yh e l p f u l f o ru st ou n d e r s t a n ds t r u c u r e f u n c t i o n r e l a t i o n s h i po fp o r p h y r i np r o t e i n si nb i o l o g i c a ls y s t e m s b a s e do nt h e p r e y i o u s w o r ko fo u r g r o u p ， f o u rk i n d so fn e wa m i n oa c i dm o d i f i e d p o r p h y r i n s ：m 一( l - p h e ) o - c 2 一t p p 、m 一( l - p h e ) o - c 2 - - t p p z n 、m c 2 一( l - p h e ) - c 2 ( t p p ) 2 、 m c 2 一( l - p h e ) 一c 2 ( t p p ) 2 z n 2a n d an e w a l k o x y b r i d g e dp o r p h y r i np e n t a m e r ： t p p o ( c h 2 ) 一4 0 4 t p p a n di t sz i n c c o m p l e x w e r e s y n t h e s i z e d b y t h e a p p r o a c h e so fe a ，m s ，i r ，1 hn m ra n du v v i s ，a 1 1t h es y n t h e s i z e dc o m p o u n d s w e r ec o n f i r m e dt ob et h eo b j e c t i r eo n e s ，a n dt h e i rs t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c sw e r ed i s c u s s e d u v v i s s p e c t r u m e v i d e n c e dt h a t m 一( l - p h e ) 0 一c 2 - t p p z nc o u l df o r mt h ei n t r a m o l e c u l a rf i v e c o o r d i n a t i o n s p e c i e s ，w h i c hw a sf u r t h e rc o n f i r m e db yt h eq u a n t u mc h e m i s t r yc a l c u l a t i o n t h e s e i f a g g r e g a t i o np r o p e r t i e s o f f o u r m e t a l l o p o r p h y r i n s w e r e s t u d i e di nt h es o l v e n to fc h l o r o f o r ma n ds e v e r a ls e l f a g g r e g a t i o nm o d e i s a n dt h ed r i v ef o r c e so fs e l f a g g r e g a t i o nw e r ed i s c u s s e d f o rt h e s ef o u r m e t a l l o p o r p h y r i n s ，t h e o r d e ro f s e i f a g g r e g a t i o na b i l i t y i s ： m ，m c 2 一( l - p h e ) 一c 2 一( t p p ) 。z n 2 t p p o ( c h 。) ；0 ；t p p z n 5 m 一( l - p h e ) 0 一c 2 t p p z n t p p z n w eh a v em e a s u r e dt h ec o o r d i n a t i o nc o n s t a n t sa n dc o o r d i n a t i o n n u m b e r sb e t w e e n m e t a l l o p o r p h y r i n s a n d p y r i d i n e ，i m i d a z o l e ，4 ，4 、一 d i p y r i d i n e ，e t h y l e n e d i a m i n e i tw a si n d i c a t e d t h a t ，f o r t h es a m e m e t a l l o p o r p h y r i n ，t h ec o o r d i n a t i o na b i l i t i e so f1 i g a n d sw e r e q u i t e d i f f e r e n ta n dt h ec o o r d i n a t i o na b i l i t yo fm e t a l l o p o r p h y r i nd e c r e a s e dw i t h t h ei n c r e a s i n go fi t ss e l f a g g r e g a t i o na b i l i t y ，m c 2 一( l p h e ) - c 2 一( t p p ) 2 z n 2c a nf o r ms u p r a m o l e c u l ew i t h4 ，4 、d i p y r i d i n eo re t h y l e n ed i a m i n e k e y w o r d s ： a m i n oa c i dm o d i f i e d p o r p h y r i n s ：p o r p h y r i np e n t a m e r s e l f a g g r e g a t i o n ：a x i a lc o o r d i n a t i o n ：q u a n t u mc h e m i s t r y 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进 行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者躲锄匀狂 日期：鹚年多月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密耐。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 仿体p日期：刁矿? 年舌月日 日期：叫年月岁目， - 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 卟啉类化合物广泛存在于生物体内，在许多生物过程中起着关键作用。作为 血蛋白和肌红蛋白的辅基，血卟啉在生物体内氧的输送和储存中起着核心作用 “1 ，而含有血卟啉单元的细胞色素，在光合作用的电子输送链中起到单电子载体 的作用”1 。自然界中同样也存在很多类卟啉化合物。例如，卟啉环的一个毗咯环 被还原，就得到一种类卟啉衍生物绿素类化合物“1 ，如图卜1 所示的叶绿素a 就是其中的一种。进一步还原一个吡咯环，得到另外一种卟啉衍生物一菌绿素， 细菌叶绿素就是其中的一种( 图卜1 ) 。毫无疑问，卟啉类化合物在自然界中具有 相当独特的地位。 卟啉的人工合成与应用一直是研究热点。实验表明，植物体需要通过很长的 反应链把从自然界中收集到的光能转移到光合作用反应中心，但其效率是很高的 ”“。所以，对自然界光收集系统和光合作用过程的模拟是一个很有意义的方向。 但由于植物体光收集和光合作用反应系统异常复杂，因此人们将研究重点集中在 光子捕获和能量转移机理研究上，并试图将卟啉应用于太阳能电池的研发中。 人们还发现细胞色素p - 4 5 0 能选择性地催化一系列的羟基化和环氧化反应，并通 过合成金属卟啉，构筑了很多模型来模拟自然界中细胞色素p - 4 5 0 的催化功能”1 。 除了构筑生物系统模拟体外，卟啉的自身光电性质决定了其可以广泛应用于分子 器件，光动力治疗以及化学敏感器等领域。 e ：0 2 hc 0 2 h h e 瑚 血卟啉 c m m ，h 】mo 叶绿素a 图卜1 自然界中的卟啉 f i g 1 一l t h ep o r p h y r i n si nt h en a t u r e 华南理工大学工学硕士学位论文 1 2 卟啉在光电转化领域的应用 近年来，太阳能的转换和利用一直是新能源开发领域的一个重要研究方向。 模拟光合作用机理、研制高性能的太阳能电池是人们努力的目标。虽然无机半导 体太阳能电池已经得到广泛应用，但其制作复杂而且成本高。因此，研究新型的 有机分子并利用l b 膜技术制造高效、低成本的太阳能电池成为工作重点。1 9 9 1 年，g r a t z e l 等”1 首次报道了一种染料电池( d y ec e l l ) ，和传统电池相比，这种 电池有电流大、成本低和稳定性高的优点。从此，人们开始探索金属卟啉和金属 酞菁类“”化合物在此领域的应用潜力。 将卟啉应用于太阳能开发的一个重要目标是，增加电池内部的空穴的密度和 流动性，从而增加光电流强度。用于太阳能电池的金属卟啉的结构不一定复杂， 研究的难点在于如何将卟啉有效地附着于底物上，并彻底掌握卟啉供体和光活性 层受体之间的电子转移机理1 。卟啉类太阳能电池可分为三类：含自由卟啉型电 池，含金属卟啉型电池和混合型电池。按照结构又可分为单层和双层电池。 图卜2 给出了一种以自由卟啉为光敏剂的单层太阳能电池( t i o 。t c 。a p p 聚 苯胺) 。t c 。a p p ( 图卜3 ) 的三个羧基有利于将其自身吸附于t i o ：，氨基是为了连 接到聚苯胺链上。该电池的开路电压可达到0 6 v ，光电转化效率达到2 4 。和金 属卟啉类电池i t o ( z n t n p p ) a l q 。a 1 相比“，t i o 。t c 。a p p 聚苯胺电池的光电转 化效率明显提高。这可能是由于该染料电池( g r a t z e l 电池) 可减缓苯胺的聚合 过程，从而导致强的光电流产生。 图1 _ 2 含光敏能a p 】p 的太阳胄皂电池 图ht c 3 a p p 的分子结构 结构 1 。“” f i g 1 2s t r u c t u r e 。fs 。l a rc e l lw i t h f i g 1 3m 。1 e 。u l a 。8 t r u c t u r e 。f p h o t o s e n s i t i z e r st c 3 a p p t c 3 a p p 2 第一章绪论 k o h s h i nt a k a h a s h i 等1 着重研究了自由卟啉h 2 t p p 在双层太阳能电池的作 用( 图卜4 ) 。同等条件下，含h z t p p 的太阳能电池的光电转化率要高于不含h z t p p 的电池的光电转化率，这是因为处于光激发的h 2 t p p 分子可有效地将空穴转移到 p t h 分子，而随之在h 2 t p p 中产生的电子就可以很快转移到p v 分子，因此可将光 电转化率提高到2 9 。 图卜4p y p t h 卟啉型太阳能电池的结构“” f i g 1 4 s t r u c t u r eo fp v p t h p o r p h y r i ns o l a rc e l l 1 3 卟啉在催化领域的应用 涉及到选择性氧化反应的化学工业一直在寻找有效的催化剂，这些催化剂应 该具有以下两个条件1 、能够选择性催化氧化反应。2 、不产生有毒废物。而包 括p - 4 5 0 在内的生物酶，具有在温和条件下选择催化氧化有机分子的功能，因此 对p - 4 5 0 的催化模拟引起了科学家的极大兴趣“”“”。人们合成了种类繁多的金属 卟啉化合物，并在均相体系中模拟了p - 4 5 0 的选择催化功能，力图从分子水平上 阐明单加氧酶结构和功能的关系。然而，研究结果并不十分理想，主要因为下面 的几个原因：( 1 ) 金属卟啉容易被氧化剂所氧化而失活；( 2 ) 卟啉分子在均相体 系中容易发生多聚副反应；( 3 ) 卟啉分子在均相体系中做催化剂时，回收比较困 难。因此，选择合适的载体来担载稳定性比较高的金属卟啉，从而提高金属卟啉 自身的抗氧化性、防止卟啉自聚集以及模拟生物体内的温和环境是这类工作的总 体方向。 卟啉分子的载体主要分为两大类：有机高分子载体和无机载体。无机载体有： 分子筛“、二氧化硅“”、锑磷酸“，海泡石“”等。用分子筛作载体来包封卟啉有 独特优点：( 1 ) 分子筛有分布均匀的通道或超笼，能够作为不同分子的主体，根 据分子大小有选择性的氧化有机底物；( 2 ) 分子筛可以有效地将卟啉分子隔离开， 防止卟啉分子的聚集；( 3 ) 分子筛包封的金属卟啉可以在有机相中催化氧化恐水 有机底物；( 4 ) 分子筛通道或超笼的大小可以人为控制。因此，以分子筛为载体 的研究得到重视。1 9 9 2 年，m o b i l 公司的j s b e c k 等”报道了m 4 1 s 系列分子筛 华南理工大学工学硕士学位论文 的合成方法，为分子筛一卟啉催化体系的构造提供了新的思路。c h u n j i n gl i u 等 。“将5 ，1 0 ，1 5 ，2 0 一四k i s ( 2 ，6 - 二氯苯基) 卟啉( t d c p p ) 的钉络合物 r u ( t d c p p ) ( c o ) ( e t o h ) 包封到m c m - 4 1 型分子筛中( 图卜5 ) 。使用2 ，6 一二氯吡啶一 氮一氧作为氧化剂，证实了以这种方式担载的钌卟啉可以高效催化一系列烯烃的环 氧化反应。索继栓等“”用修饰过的s i 0 ：担载m n t p p c i 来催化丙烯的环氧化反应， 发现s i o ：的刚性表面可以很好分离m n t p p c i ，从而可有效避免其自聚集。我们将 m n t p p 镶嵌到层状锑磷酸中“，发现该体系可高效催化h ：0 2 一环己烯体系，并具有 优越的抗氧化、抗失活特性，初步展示了良好的催化性能和应用前景。 有机高分子载体同样引起了人们的注意，因为其可以模拟生物体内的多肽链 和疏水环境，从而构成完整的模拟体系。含有咪唑、吡啶基团的高分子配体可以 从轴向和金属卟啉配位。含有羟基、氨基的卟啉可以和含有活性基团的高分子生 成共价键连接的高分子- , b 啉体系。例如，咪唑改性硅胶一卟啉体系对环辛烯的氧 化有良好的催化性能“。全氟磺酸树脂一t p y p 具有催化光还原和电化学还原行为 ”“。此外，高分子担载金属卟啉还可催化s o ：光氧化生成硫酸口”，以及催化烯烃 的氧化“。 1 4 卟啉作为分子器件的结构单元 上个世纪中期以来，电子计算机技术得到长足发展。从那时起，人们的设计 依赖t o p d o w n 方法：一开始找到一个大的元器件，然后想办法减小这些器件的体 积，并提高其功效。这种方法使得计算机的速度可以每1 8 个月增加一倍，但这个 规律很快将被打破，因为器件不能无限小下去。“。有别于传统的基于硅的电路系 统，“分子导线”概念的引进为计算速度的发展提供了新的研究方向。所谓分子 导线就是一个很长的、高度共轭的分子，其高度离域的n 对称轨道使得电子在 圜瓣s t ，舳：睾 m c m 的通 o ： s i ( c h 2 ) 3 n h 2 图卜5 分子筛一卟啉催化体系”“ f i g 1 5t h ec a t a l y s i ss y s t e mo fz e o l i t e p o r p h y r i n 4 第一章绪论 图卜6 丁炔基桥连卟啉二聚体1 ”8 1 f i g 1 6p o r p h y r i nd i m e r1 l i n k e db yb u t a d i y n e l 一_ l c h 幽】囊【刚l c m c 叫归 略 图卜7 丁炔基桥连卟啉二聚体2 ” f i g 。l 一7p o r p h y r i nd i m e r21 i n k e db yb u t a d i y n e 其里面能够自由移动o “。 构筑可作为分子导线的卟啉共轭体系主要两种经典方法：( 1 ) 炔基桥连。( 2 ) 边基聚合。早在1 9 7 8 年，a r n o l d 等。“就报道了丁炔基桥连共轭卟啉l ( 图1 - 6 ) ， 但直到1 9 9 0 年以后，才研究其光电性质。几乎同时，a n d e r s o n “”报道了另外一 种丁炔桥连共轭卟啉2 ( 图卜7 ) 。和相应单体相比，这些共轭卟啉的u v v i s 吸收 光谱都展现出很宽的s 带分裂和q 带红移。当增加聚合度时，这种趋势得到加强。 例如卧啉的1 0 聚体3 。们( 图卜8 ) 在8 7 3 n m 处有一个q 带，其强度甚至超过了s 带。对于图卜9 所示的卟啉类型4 1 ，从单体到六聚体，s 带分裂程度逐渐加强， q 红移的程度也逐渐加强。 用边基聚合的方法同样可以得到共轭的卟啉体系。虽然这种方法得到的共轭卟 啉的光电性质没有炔基桥连方法得到的卟啉那样显著。但是该方法为构筑分子导 线单元提供了一个很有意义的思路。s m i t h 等“2 3 报道了两种有代表性意义的卟 啉( 图卜1 0 和图卜1 1 ) 。 p 啊 _ ”1 0 - i $ ；n d 卿x 梆h 删n r = c c + 铸| c q 妇m 州a q 捌如 图卜8 卟啉的多聚体3 f i g 1 8p o r p h y r i np o l y m e r3 华南理工大学工学硕士学位论文 q # 一髓 图卜9 卟啉的多聚体4 f i g 1 9p o r p h y r i np o l y m e r4 图卜l o 边并三聚卟啉5 f i g 卜l oe d g e f u s e dp o r p h y r i nt r i m e r5 图卜1 1 苯并桥连五聚体6 f i g 1 1i b e n z o b r i d g e dp o r p h y r i np e n t a m e r6 1 5 卟啉作为光动力治疗中的光敏剂 人类了解光和药物的作用已有几千年了，但是直到二十世纪六十年代，才将 这种作用和肿瘤的治疗联系起来。1 9 6 1 年，l i p s o n 等报道了肿瘤可以选择性 地吸收a p o ( 血卧啉衍生物) 。1 9 7 6 年，o o u g h e r t y 等详细地介绍了p o t 的临床 应用，在医学界引起了很大反响。从此，科学家开始深入研究p d t 的原理，并开 发了很多种光敏剂。 p o t 的基本原理是：将光敏剂注入人体，和人的正常组织相比，人的病变组 6 第一章绪论 织可以更多地吸收这种光敏剂( 可随需要而改变种类和用量) 。然后，由特定波长 的光激活这种光敏剂，利用光动力反应来破坏病变细胞。光动力反应有两种类型 ”：类型一：处于三线态的光敏剂直接和生物分子( 或氧) 反应，导致氢原子( 电 子) 转移，从而发生自由基氧化反应。类型二：三线态的光敏剂首先和三线态的 氧作用，产生具有高氧化性的单线态氧。然后，单线态的氧和生物分子发生氧化 反应。两种类型的光动力反应最终都能杀死病变细胞组织。 第一代光敏刻主要以卟啉类化合物为主。作为光敏剂，卟啉类化合物有稳定 性好、单线态量子产率高和毒性小等优点。h p d 是第一个光敏剂( h e m a t o p o r p h y r i n d e r i v a t i v e s ) ，它是血卧啉衍生物的混合物，包括单体、二聚体和多聚体。将h p d 进一步纯化可得到p h o t o f r i n ，p h o t o s a n 和p h o t o h e m ，所有这些卟啉构成了第一代 光敏剂。虽然第一代光敏剂可治疗一些症状，但其有明显的三个缺点：选择性低、 红外区吸收强度小和成分太复杂。这些自身的不足促使人们寻找第二代光敏剂。 例如，( 1 ) 苯卟啉衍生物b p d ( b e n z o p o r p h y r i n d e r i v a t i r e ，图卜1 2 ) ，由原卟 啉合成，其红光最大吸收蜂在6 9 0 n m ，作用比h p d 在6 3 0 n m 处大4 倍，属光穿透 度深的光谱。( 2 ) n p e 6 ( m o n o l a s p a r t y l c h l o r i n e 6 ，m a c e ，单天门冬酰胺二氢卟吩 e 6 ，图卜1 3 ) o ”，它的特点是光敏时间短，6 6 4 n m 光照射，激发效力高，用药后4 6 小时照光效最佳。当然，第二代光敏剂不仅仅限于卟啉类化合物，酞菁类、 t e x a p h y r i n 以及p o r p h y c e n e 都是人们研究的对象。 由以上分析可知，p d t 对卟啉类光敏剂有以下几点要求：( 1 ) 无毒且在人体中 的溶解度较好。( 2 ) 对肿瘤有良好的选择性吸收。最理想的情况是，一个光敏剂 只能和一种肿瘤相互作用，前提是必须完全清楚肿瘤的结构。( 3 ) 在6 3 0 咖以上 有明显的吸收峰。人的组织能够有效传送可见光的红光部分，在6 3 0 n m 及以上波 长处有强吸收的光敏剂，能够在1 a m 的深度被激活。如果光敏剂有几个不同的吸 收带，可选择不同的波长来控制治疗的深度。( 4 ) 结束治疗后，人体组织中残留 的光敏剂应容易去除。 1 6 卟啉可用于化学敏感器 分子识别是生物体赖以生存的一个主要驱动力。它不仅仅指一个反应的特殊 性，更重要的是，它代表了一种简单的、可重复的信息存储方法，而这种信息可 以在不同的环境下释放出来。人们从自然界的分子识别系统中得到了很多有益启 示。化学敏感器的设计正是立足于这样的出发点：通过一定的体系将分子吸附， 然后分析该系统性质的改变，从而识别被吸附的分子。很多体系已被研制，如导 电聚合物”、导电聚合物碳黑复合材料“、发荧光染料聚合物体系1 等。尽管 这些体系在化学气体检测和区分方面取得了一定的成功，但它们基本上是用来检 测不具有配位能力的有机分子。众所周知，很多有毒气体都具有很强的金属配位 华南理工大学工学硕士学位论文 i ：【 l h 图卜1 2b p d 结构“”图1 - 1 3m a c e 结构“” f i g 1 1 2s t r u c t u r eo fb p df i g 1 1 3 s t r u c t u r eo fm a c e 能力，因此利用其配位能力来设计分子识别体系得到人们重视。 作为具有配位能力的气体的受体，金属卟啉有以下优点“”：1 金属卟啉的配 位键比较牢固，而且有较大的配位空间。2 金属卟啉具有很强的颜色，当和气体 配位后，其颜色变化很大。3 优越的光热稳定性。4 。和气体配位后，其吸收和发 射光谱变化比较大。5 卟啉环可被广泛修饰，因此可供选择的金属卟啉种类较多。 利用金属卟啉的这些优点，人们设计了氧气“”和氨气“”的探测器。s u s l i c k 等“2 1 更是从金属卟啉的颜色变化角度设计了一整套气体鉴别体系。它的基本原理是： 不同的气体和金属卟啉配位后有不同的颜色变化，只需要比较配位前后颜色的变 化就可以确定该种气体对应的唯一图案，从而定性和定量地分析气体组成。我们 可以预测，含卟啉化学敏感器的最终目标是充分利用人的直觉来确定气体的组成。 1 7 选题意义 金属卟啉化合物的超分子自组装( s u p r a m o l e c u l a rs e l f a s s e m b l y ) 是当今生 物无机化学的前沿研究领域。实验表明，生物体内的很多金属卟啉正是通过自组 装形成聚集体后才具有相应的生物功能。同时，在研究金属蛋白的过程中，人们 发现轴向配位作用对这些蛋白质的生物功能也有很大影响。因此，选择设计不同 的金属卟啉并研究比较它们的自聚集和配位性质，有助于我们理解生物体内金属 卟啉超分子自组装的驱动力以及超分子结构和功能之间的关系。 本论文的研究意义具体表现在以下几个方面： ( 1 ) 探索氨基酸尾式卟啉和氨基酸桥连卟啉二聚体的合成新方法和分离手段。合 成烷氧桥连五聚体，并解决大分子卟啉不易分离的难题。 ( 2 ) 通过比较不同取代位置的氨基酸尾式锌卧啉的u v - v i s 吸收光谱，考查取代基 第一苹绪论 位置对分子结构的影响。 ( 3 ) 研究金属卟啉自聚集情况，比较几种金属卟啉的聚集能力。为理解生物体内 金属卟啉聚集体的驱动力以及其结构和功能之间的关系提供有意义的实验数 据。 ( 4 ) 研究金属卟啉和不同单双齿配体的配位能力，探索氨基酸金属卟啉配位超分 子的白组装行为。 ( 5 ) 通过量子化学计算，从理论上对卟啉化合物的性质进行分子模拟研究，为今 后的分子设计提供理论支持。 9 华南理工大学工学硕士学位论文 第二章氨基酸卟啉和卟啉五聚体的合成 2 1 引言 1 9 3 5 年，r o t h e m u n d 等“5 1 将苯甲醛和吡咯混合于密封的试管内，在1 5 0 0 c 下 反应2 4 小时，首次合成了四苯基卟啉。但这种方法的产率非常低，而且反应条件 苛刻。有很多取代苯甲醛不能转化为相应的卟啉。a d l e r 和l o n g o l 4 ”，将苯甲醛和 吡咯置于敝口的丙酸体系中，反应3 0 m i n 同样可以得到四苯基卟啉。a d l e r 反应 和r o t h e m u n d 反应相比有几个优点：l 、反应条件相对比较温和，可以将很多种类 的取代苯甲醛转化为相应的卟啉。2 、可以大量反应。3 、产率可以达到2 0 以上。 但a d l e r 反应也有一些缺点：1 、由于反应温度仍然很高，带有不稳定基团的苯甲 醛不能用于合成相应的卟啉。2 、有些苯基取代卟啉不易从丙酸体系中沉淀出来， 因此反应产物比较难处理。3 、产率不易重复。因此，l i n d s e y 等“7 1 改进了以上两 种方法，采用相对温和的反应条件来合成苯基卟啉。反应分为两步：1 、将吡咯和 相应的苯甲醛置于干燥的c h 2 c 1 2 中，加入少量的酸傲催化剂( b f 3 或t f a 三氟乙 酸) ，n 2 保护，反应大约l h 。2 、加入化学当量的氧化剂( p 四氯苯醌或d d q ) ， 将上一步生成的卟啉原氧化为相应的卟啉。此反应有很多优点：i 、反应条件相对 温和，很多具有敏感基团的苯甲醛也可参与反应。2 、反应产物容易处理。但也有 如下缺点：1 、反应的浓度比较低，不适合大量反应。2 、反应所用氧化剂较贵， 因此成本太高。结合实际情况，我们采用a d l e r 方法合成初始的苯基取代卟啉。 2 2 实验试剂 2 2 1 实验试剂 表2 - 1 实验试剂的规格 t a b l e2 - 1t h es p e c i f i c a t i o n so f e x p e r i m e n ta g e n t s i o 第二章氨基酸卟啉和卟啉五聚体的合成 2 2 2 实验试剂的处理方法 2 2 2 ，1 吡咯 使用前重蒸，收集1 3 0 c 到1 3 2 。c 之间的无色或浅黄色馏分。 2 2 2 2 丙酸 使用前重蒸，收集1 4 09 c 到1 4 1 之间的无色馏分。 2 2 2 3 分子筛 使用前，在1 0 0 下烘四小时。 2 2 2 4 1 ，2 一= 澳乙烷和1 4 - - 溴丁烷 使用前加入干燥好的分子筛，放置两天以上，过滤使用。 2 2 2 ，5n ，n 一二甲基甲酰胺( d m f ) 使用前加入己经于燥的好的分子筛，放置两天以上，过滤后使用。 2 2 2 6 无水碳酸钾 使用前1 0 0 烘三小时。 2 2 2 7 氯仿和二氯甲烷 使用前加无水氯化钙干燥，放置两天以上，重蒸后使用。 2 2 2 8 薄层层析硅胶 使用前在1 0 0 1 2 下烘四小时，方可使用。 2 3 l 一苯丙氨酸卟啉的制备 图2 1 为l 一苯丙氨酸卟啉的总体合成路线。 2 3 1 间羟基四苯基卟啉( m - 0 h t p p ) 的制备 采用a d l e r 方法合成m o h t p p 。于2 5 0 m l 三口烧瓶中，加入丙酸1 2 5 m t ，苯 华南理工大学工学硕士学位论文 甲醛1 0 m l ，问羟基苯甲醛4 0 3 9 ，将9 1m l 吡咯溶于3 0 丙酸中，置于恒压分液漏 斗。电磁搅拌，油浴加热，至丙酸溶液回流。逐滴滴加吡咯溶液于反应体系。反 应液马上变为红棕色。保持反应液回流2 小时。改为减压蒸馏装置，蒸去剩余的 丙酸。加入2 0 0 m l 甲醇，放置过夜。用布氏漏斗抽滤反应液，甲醇洗滤饼至滤液 为无色，得亮紫色卟啉晶体2 5 9 。 。p 旧+ s d 。詈 图2 2m 一0 h t p p 的合成 硅胶为固定相，氯仿为洗脱剂，湿法装柱，第一条为红色的t p p 条带。收集 第二条红色的m o h t p p 条带，旋干溶剂，真空干燥，得亮紫色m o h t p p 0 7 9 ， 产率9 6 。 2 3 2 m b r g h 2 g h 2 0 t p p 的制备 于1 0 0 m l 单口烧瓶中，加入5 0 m l 干燥好的d m f ，2 9 无水碳酸钾，2 0 0 m g m - o h t p p ，l m l1 , 2 - 二溴乙烷，磁力搅拌，加无水氯化钙干燥管，避光反应2 4 h 。 t l c 检验，如果t l c 板上m o h t p p 很少，就停止反应，否则继续反应。反应 停止后。加3 0 m l 氯仿于反应液中，反复水洗。旋干氯仿溶液，真空干燥，得1 1 0 m g 亮紫色粗产物。 始一詈麓扩一 6 0 图2 - 3 一b r c h 2 c h 2 0 t p p 的合成 硅胶为固定相，二氯甲烷为洗脱剂，湿法装柱。收集主要色带，得1 9 0 m g 一b r c h ：c h ：o t p p ，产率8 3 。 2 3 3 m 一( l - p h e ) o - c 2 一t p p 和1 1 1 m - c ：一( l - p h e ) 一c ：一( t p p ) ：的制备 于i o o m l 单口烧瓶中，加入5 0 m 1 干燥好的d m f ，3 9k2 c o3 ，i3 0 m g m b r c h ：c h z o t p p ，l - 苯丙氨酸2 1 7 m g ，磁力搅拌，加无水氯化钙干燥管，避光反应 1 2 第二章氨基酸卟琳和卟啉五聚体的合成 + s 口4 一刮 + m ，m 。c 2 - ( l - p h e ) 。c 2 。( t p p ) 2 m - ( l - p h e ) o - c 2 t p p 图2 一l 氨基酸卟啉的合成路线 f i g 2 - l t h es y n t h e t i cr o u t eo fa m i n oa c i dm o d i f i e d p o r p h y r i n s 华南理工大学工学硕士学位论文 _ _ - - i - _ i _ - i l _ l - _ _ i _ i i l _ l - i - _ _ - _ - _ i _ i _ i _ _ _ l _ l - _ l _ - - - _ i l l _ l 一 2 4 h 。t l c 检验，如m - b r c h ，c h ：o t p p 很少，就停止反应，否则继续反应。反应停 止后，加3 0 m l 氯仿于反应液中，反复水洗。旋干氯仿溶液，真空干燥，得1 6 0 m g 亮紫色粗产物。 粗产物的成分非常复杂。硅胶为固定相，三氯甲烷为洗脱剂，湿法装柱，收 集第五条主要色带，旋干得m 一( l - p h e ) o - c z t p p7 6 m g ，产率为4 7 5 。同时收集 第三条主要色带，为粗的，吨c 。一( l - p h e ) 一c ：一( t p p ) ：。再用氯仿和石油醚i ：i 的 混合溶剂做洗脱剂，收集第一条主要色带，旋干得m ，m - c 。一( l - p h e ) - c ：一( t p p ) 。1 5 m g 产率为9 5 。 一一去中百+ 0 俐+ 咖甫；扣嶝一+ m - 0 - - p h o o c e t e p叽m c = 川垌幛卜( 甚吼 图2 - 4i t r ( l p h e ) 0 一c ：一t p p 和茁，皿一c ：一( l p h e ) 一c 2 一( t p p ：的合成 f i g 2 4t h es y n t h e s i so fm 一( l p h e ) 0 一c 2 t p pa n dm ，i n c 2 一( l - p h e ) 一c 2 一( t p p ) 2 2 。4 l 一苯丙氨酸金属卟啉的制备 本文所有金属卟啉的制备均采用经典方法”：采用冰醋酸和氯仿的混合溶 剂，加入适量的醋酸锌，避光反应l h 即可。 2 4 1 m 一( l p h e ) 0 一c 2 一( t p p ) z n 的带0 备 于i o o m l 单口圆底烧瓶中，加入m 一( l p h e ) 0 一c ：- t p p5 0 m g ，氯仿2 0 m l ，冰醋 酸2 0 m l ，醋酸锌2 0 0 m g ，避光于室温下反应。溶液逐渐由墨绿色交为玫瑰红色。 t l c 检验，当皿一( l p h e ) o - c 。t p p 反应完时停止反应。于反应液中，加入2 0 m z 氯仿，水洗至水相为酸性或弱酸性。旋干有机相得红色粗产物。硅胶为固定相， 以氯仿：乙醇= 1 0 0 ：1 2 的混合溶剂为洗膨剂，湿法装桂，收集主要色带旋于， 真空干燥，得4 5 m gm ( l - p h e ) o - c ：一( t p p ) z n ，产率8 3 。 m - s r c h 2 c h 2 0 t p p + ( c h 3 c o o ) 2 z n 2 h 2 0 登堕墼 氯仿 m 一( l p h e ) o c 2 f r p p ) z n 图2 - 6 一( l - p h e ) o - c ：一( t p p ) z n 的合成 f i g 2 - 6s y n t h e s i so fm 一( l - p h e ) 0 - c 2 一( t p p ) z n 蚴 囝 殳擎 庐扣、 第二章氨基酸卟啉和卟啉五聚体的合成 一 2 4 2m m - c ：一( l - p h e ) 一c 2 一( t p p ) 2 z n 2 的韦0 备 于1 0 0 m l 单1 3 圆底烧瓶中，加入m ，m c ：一( l - p h e ) 一c ：一( t p p ) 2 2 0 m g ，氯仿1 0 m l ， 冰醋酸l o m l ，醋酸锌1 0 0 m g ，避光，于室温下反应。溶液逐渐由墨绿色变为玫瑰 红色。t l c 检验，当m ，m c 。一( l - p h e ) - c ：一( t p p ) 。反应完时，停止反应。于反应液中， 加入2 0 m l 氯仿，水洗至水相为酸性或弱酸性。旋干有机相得红色粗产物。硅胶为 固定相，以二氯甲烷：乙醇= 1 d 0 ：8 的混合溶剂为洗脱剂，湿法装柱。收集主要 色带，旋干，真空干燥，得1 6 = g ，皿一& 一( l - 弛e ) 一c ，一( t p 夥z z n ，产率8 0 。 f d c 2 3 0 5 2 1 6 w 3 0 2 1 6 4 w 1 7 4 0 2 3 m 1 5 9 6 6 8 m 1 5 7 5 9 1 m 1 4 8 1 2 6 m 1 4 4 0 1 5 m l3 3 8 。0 5 m 1 2 8 2 4 2 w 1 2 4 5 3 w 1 1 8 4 4 6 m 1 0 6 9 8 2 1 0 0 0 7 2 w ”c = n ”c ：c ( 毗咯) 9 9 4 2 5 7 s 9 6 6 8 6 8 m6n h ( 吡咯摇摆) 8 0 1 1 8 5 s 毗咯环变形 7 3 1 2 5 6 s 8n h ( 毗咯) 7 0 0 1 6 5 s 苯环 7 9 6 5 2 s 7 5 2 0 9 3 oc - h ( 苯基) ”c h ( - c h 3 ) uc = o ”c ( 苯基) ”c ；c ( 苯基) 8n - h ( 毗略) 8c ：n ( 毗咯) ”c - o ( 苯基o ) 8c ，o - n ( 毗咯) ”c ；noc =